形状记忆合金在非含能分离连接装置中的应用进展 科技导报

  综述了形状记忆合金（SMA）的特性、种类、制备工艺、性能调控等方面研究进展及其在非含能解锁分离装置中的优势和应用现状。总结了形状记忆合金工作的基础原理，并对比分析了当前常用合金系列的特点和应用前景；介绍了形状记忆合金的主要制备工艺，特别是喷射铸造、粉末冶金，以及增材制造等工艺在高性能SMA制备中的研究现状；分析了合金化组分设计、热处理和塑性加工等典型工艺的对SMA力学和形状记忆性能的影响规律，总结了SMA性能调控研究现状；特别介绍了形状记忆合金在非含能解锁分离装置中应用现状，并从推广应用角度展望了SMA材料和机构研究急需解决的关键问题。

  形状记忆合金（shape memory alloys，SMA），是一种能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，具有独特的形状记忆效应，1932年Olander在金镉合金中首次观察到了形状记忆效应。经过近100年的发展，研究人员相继又在Au-Cu、Ni-Al、Fe-Mn、Ti-Ni等合金系统中发现了形状记忆效应。自1969年SMA开始逐渐应用在工业领域，首先是美国在某种喷气式战斗机的油压系统中使用了Ti-Ni形状记忆合金接头，成功实现了油路系统的高可靠快速连接，同时“阿波罗”11号登月舱也采用形状记忆合金成功实现了天线装置的折叠和展开。随着记忆合金变形机制研究的深入、合金体系的逐渐丰富、性能调控手段的多元化，形状记忆合金开始在多个领域得到了大范围的应用，如航空航天、汽车工业、医疗器械、建筑材料等。

  分离连接装置是兼有连接、解锁和分离功能的机构，广泛应用于火箭、导弹和航天器等，分离连接装置按规定程序完成解锁和分离动作，将已完成工作使命的部件（如助推器、火箭的下面级、运载器和航天器的整流罩等）抛掉，当前常用的分离连接装置多采用火工品提供驱动力，如爆炸螺栓、爆炸索等。火工分离连接装置存在冲击大，爆破过程中产生破片和烟尘等缺点，对于精密仪器原部件、光敏器件等存在潜在的损伤危险。同时火工品为一次性触发装置，不同批次产品质量差异会导致触发稳定性没办法保证。新型航天器高精密设备对低冲击、无污染、可重复使用分离连接的需求，使得非含能分离连接装置成为新的研究热点。形状记忆合金由于具有承载力大、释放快、功耗低、冲击低、可复位、无污染的技术特点，是理想的非含能分离装置材料。本研究对形状记忆合金工作原理、分类、制造工艺、性能调控及其在非含能分离连接装置中的应用做多元化的分析，并就现阶段基于形状记忆合金的非含能分离连接装置研究中亟待解决的核心问题进行讨论。

  形状记忆效用的本质是SMA的无扩散固相马氏体相变，具有体心立方结构的奥氏体（austenite）和面心立方结构的马氏体（martensite）在应力或温度作用下相互转化过程，这种转化称为“马氏体热塑性转化”。马氏体晶体结构是通过施加机械载荷或降低温度从奥氏体中获得，这种转变称为正相变。马氏体相具有非孪晶马氏体和孪晶马氏体2种变体，其中孪晶马氏体可由奥氏体在零应力状态下直接降温形成。相反地，通过加热或减少载荷恢复奥氏体相，即为逆相变。奥氏体、孪晶马氏体和非孪晶马氏体三相之间转换关系如图1所示。

  图1中Ms、Mf、As、Af分别为马氏体、奥氏体在无应力条件下开始、最终相变临界温度。对于多数SMA，Mf

  1）形状记忆效应。发生马氏体相变的合金形变后，被加热到最终温度以上，使低温的马氏体逆变为高温母相而回复到形变前固有形状，或在随后的冷却过程中通过内部弹性能的释放又返回到马氏体形状的现象，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变称为应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线）伪弹性效应。当形状记忆合金在高温相奥氏体状态下收到外部作用力发生较大变形，去除外力后，SMA变形过程中应力应变曲线并不是线性的，会产生耗散能，但是大应变仍旧能够最终靠滞后环完全恢复（可恢复应变可达6%~8%），其本质仍是相变引发的形状回复，因此又被称为伪弹性。

  最早发现形状记忆效应的Au-Cd合金，以及之后出现的Ag-Cd合金，都采用了大量的贵金属元素，高成本制约了SMA的推广应用。随着低成本Cu基、Fe基、TiNi基等形状记忆合金的出现，针对SMA的制备技术和应用研究得到了加快速度进行发展。常见的SMA可以简单划分为以下系列。

  1）TiNi基合金。TiNi基合金由于性能好价格低、形状记忆特性好、强度高、生物相容性好等优点适用领域广泛，是当前应用最广泛的SMA材料。

  2）Cu基合金。包括Cu-Zn系，Cu-Al系合金等。与TiNi基合金相比，Cu基SMA加工性更好，且成本更低，但也存在晶粒粗大、耐热性差及记忆性能易衰退等缺点。

  3）Fe基合金。包括Fe-Pt、Fe-Ni-Co、Fe-Mn-Si、不锈钢等合金系列。Fe基SMA的价格低于TiNi基合金，同时比Cu基合金的记忆性能更好，因此是非常有应用前景的低成本、高性能SMA材料。

  4）其他系合金。早期的Au-Cd、Ag-Cd系能够完全满足某些特殊功用，如Ti-Pd、Ti-Pt等高温SMA材料等。

  实现SMA低成本、高性能的制备对其推广应用具备极其重大意义。SMA最初制备工艺多采用常规的熔铸法，但随着对合金化元素、微观组织等特性与形状记忆效应之间映射关系研究的深入，SMA制备过程中对元素组分精确控制、熔炼气氛、微观组织调控等要求逐步的提升，真空熔铸、快速凝固、定向凝固等技术被引入SMA的制备中。近年来，形性一体化制造技术的发展，特别是增材制造技术的发展，给材料加工制造工艺带来了颠覆性的影响，增材制造SMA也得到了加快速度进行发展。本节从铸造、粉末冶金和增材制造3个方向分析SMA的制备工艺的特点和发展趋势。

  铸造法是最早采用的SMA制备技术。由于合金化元素对SMA的性能有极大影响，因此SMA的铸造多采用真空熔炼法，同时尽量保证铸锭成分的均匀化。常规铸造SMA中等轴多晶结构具有很大脆性，通过定向凝固控制晶体生长的择优取向，在SMA中产生不同的机械性能和形状记忆效应。Callaway等在对Ni-Mn-Ga双程形状记忆特性的研究中发现等轴多晶的双程形状记忆效应远小于柱状晶。魏佳欣等采用定向凝固技术制备了Ni-Mn-Ga合金，当提拉速度为10µm/s时得到取向性较好的多晶，此时合金具有相较于固溶合金更好的双程形状记忆效应，且经过形状记忆循环训练后，可以将双程可逆应变提升至3.8%，即使200次热循环后，合金的双程形状记忆效应仍能稳定在3.0%。

  金属材料中存在非常明显的“细晶强化”效应，而对于记忆合金来说，随着基体强度的提高能够最终靠使合金变形更多由应力诱发马氏体承担，提高其形状记忆效应。铸造过程中晶粒细化主要是通过添加变质剂或通过改进材料制备过程中的凝固速率实现，Yang等利用Cu51Zr14作为孕育剂，有效地细化了铸造CuAlMn合金的晶粒，淬火态合金的平均晶粒尺寸由1050µm细化至37µm，且CuAlMn合金的机械性能和阻尼能力明显上升。快速凝固能够最终靠增加金属熔体的过冷度提高形核数目细化晶粒。喷射成形也称为喷射铸造，是一种典型的快速凝固工艺，通过将金属熔体雾化到微米级液滴后沉积，在金属中实现快速凝固。Cava等通过喷射成形制备了Cu基SMA材料，基础原理如图2所示。金属熔体的冷却速率为10~104K/s，沉积SMA中晶粒尺寸得到了显著细化，且材料均匀性和孔隙率也得到了有效控制。

  铸造法作为一种传统材料成形工艺具有成本低、设备简单、易于实现等特点，通过合理的工艺规划设计仍然能够作为高性能SMA材料的制备工艺。

  传统形状记忆合金通过铸造、热加工和切削加工得到所需零件，整个成形过程中材料利用率较低且铸造过程中易引起材料组织性能不均匀。而粉末冶金通过预制坯和烧结2步工序，能轻松实现零件的近净成形。Soba等研究了热处理对粉末冶金工艺制备的TiNi形状记忆合金的组织和力学性能的影响，粉末冶金TiNi合金表现出454MPa的高平台应力，热处理后合金在8%应变下实现了96.4%的形状恢复能力。Ibrahim等采用微波烧结技术制备了Ni-Ti基医用形状记忆合金，并通过对显微组织、机械性能和生物腐蚀性能的研究优化了烧结参数。

  粉末冶金技术在SMA领域另外一个重要应用是制备多孔型SMA。多孔形状记忆合金在生物医用材料中有广泛的应用前景，与普通材料相比，多孔材料既能仿生骨头、树木等多孔结构最优的强度、刚度和重量分布组合，同时多孔SMA也具有更加好的生物力学性能和生物相容性。图3为一种采用电辅助粉末冶金方法制备的NiTi合金的原理图和成形多孔SMA的形貌图。其他多孔SMA材料如Ti-Ta、Ti-Nb、Ti-Mo、Fe-Mn-Si等都通过粉末冶金方法成功制得。

  增材制造技术是通过采用离散-堆积的原理，通过逐层熔化选区粉末，层层累加最终得到零件实体，增材制造SMA的基础原理如图4所示。增材制造无需刀具、模具等复杂工具，能直接从计算机辅助设计中生产复杂几何形状的样品，在复杂零件的成形中具有极大优势。基于增材制造的上述特点，采用该技术制备SMA能够最终靠调节工艺参数来调控其组织性能，特别是可以在一定程度上完成成形零件不受构件复杂程度的影响，减少构件制造周期和成本。

  Toker等研究了激光功率（100、250W）对NiTiHf基SMA转变温度、应变和微观结构的影响。100W功率制造的样品显示出尖锐的转变峰、良好的形状记忆行为、1.67%的可恢复应变和超弹性。余春风等采取了激光选区熔化制备了NiTi基SMA，在扫描间距为77µm时成形的SMA块体试样的综合性能最佳，相对密度为98.5%，抗压强度和抗拉强度分别为3351、839MPa，第1次压缩循环后的可回复应变为5.99%。Gear等研究和分析了选区激光熔化与传统粉末冶金法制备Cu-Al-Ni-Mn-Zr基SMA的显微组织特征和热稳定性差异。研究根据结果得出激光选区熔化样品具有可逆的马氏体相变T0=171°C），而PM样品没有形状记忆效应。姚聪等通过激光熔覆制备了Fe-Mn-Si基SMA，室温下名义屈服强度为508MPa，拉伸强度为1030MPa，伸长率达31%，最大可回复变形量为3.6%，其形状记忆性能优于传统固溶态变形加工SMA。Gao等研究了激光熔覆工艺参数对NiTi基SMA形状记忆效应和伪弹性的影响规律。除了制备大尺寸块材外，增材制造技术还被大范围的应用于制备SMA涂层或SMA与其他功能材料复合的梯度功能机构等领域。

  SMA的推广应用特别大程度上依赖于形状记忆恢复率，SMA的形状记忆效应受母相的元素组成、合金析出相以及晶粒尺寸等因素影响较大。因此SMA性能调控的手段主要有优化母相元素组成、合理的热处理策略及对母材进行塑性加工达到细化晶粒的目的等。

  SMA的合金化元素设计最重要的包含主要合金元素组分设计和微量元素添加2类（本研究中定义元素含量低于1%为微量元素）。主要合金元素组分对SMA性能影响方面，陈朝霞等研究了Fe-30Ni-xCo-10.5Al-3Nb-0.05B多晶合金中Co体积分数对其组织和伪弹性的影响，根据结果得出Co体积分数为9%~22%的合金表现出伪弹性，其中Co体积分数为18%的合金伪弹性最佳，形状回复率达84%，可回复应变达5.25%。Jiang等研究Ga对Co-V-Si高温形状记忆合金晶体结构、转变行为、热循环稳定性、微观结构演变、机械性能和形状记忆行为影响规律，根据结果得出虽然过量的Ga添加降低了力学性能，但能够明显提高Co-V-Si高温形状记忆合金的形状记忆效应。

  微量元素添加对SMA性能影响方面，李维雅等研究了用少量La元素替代Ti元素形成的Ni50Ti50-x-xLax（x=0.1，0.3，0.5，0.7）三元合金的力学性能，根据结果得出SMA的硬度、弹性模量、屈服强度和断后伸长率随La元素掺杂量的增加而减小，拉伸强度先增大后减小，在La掺杂量为0.3%体积分数时达到最大值。Guniputi等研究了稀土元素Gd对Cu-Al-Be（Cu88.13Al11.42Be0.45，Gd质量分数添加量为0.05%~0.15%质量分数）多晶SMA微观结构、形态、延展性、晶体结构、相变温度和形状恢复率等影响规律。Gd质量分数从0增加到0.08%，晶粒大小从463.45µm减小到81.80µm，减少了82.34%，拉伸强度从398.93MPa增加到581.42MPa，延展性从10.05%提高到23.72%。随着Gd质量分数的增加相变温度非常明显升高，SMA的形状恢复率也从97%降低到65%。

  通过上述分析可知，不管是通过调整含量较大合金化元素组分还是添加微量元素都可能对SMA的相变温度、相变类型、形状记忆效应、超弹性和断裂强度等产生一定的影响，因此通过合金化元素设计是SMA性能调控的重要手段之一。

  热处理是金属材料来组织调控的重要手段，对于SMA常用的热处理手段主要有时效和退火2种。叶俊杰等研究了时效温度和时间对Ti-50.8Ni-0.1Zr合金中Ti3Ni4析出相形貌以及合金强度、塑性和记忆行为的影响，300℃时效1~50h和400℃时效1h后呈现良好的超弹性，400℃时效5~50h和500℃时效1~50h的合金呈现良好的形状记忆效应。Li等研究了250~400℃时效处理对柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金微观组织和阻尼性能的影响及机制。如图5所示随着时效温度和时间的增加，贝氏体析出相体积分数由0增加到80%，研究根据结果得出贝氏体相析出增加后柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金的阻尼能力呈现出先降低后增加又降低的规律。

  退火处理是通过改变SMA的室温相组成及亚结构等，进而改变相变温度、力学特性和形状记忆特性。冯辉等研究了退火温度（Ta）对Ti-51.1Ni形状记忆合金超弹性的影响，根据结果得出350~700℃退火态的Ti-51.1Ni合金应力应变滞后回线面积εr减小，材料的超弹性明显提高。Haidar等研究了退火温度对Ti-20Zr-10Nb-5Al合金显微组织、相变、力学性能和形状记忆效应的影响，退火处理在合金中会析出γ2相，来提升机械性能。

  晶粒细化可以明显提高多晶体合金的屈服应力。晶粒细化使晶界的比面积增大，能够抑制塑性滑移的引入，使应力诱发马氏体前端母相中的弹性应变能提高，增加马氏体的可逆性，来提升形状记忆效应。通过塑性变形方法细化SMA晶粒尺寸的工艺最重要的包含冷轧、冷拔等。Kim等研究了轧制和后续退火工艺对FeMnSi形状记忆合金恢复应力和恢复应变的影响，通过上述处理可以使FeMnSi形状记忆的晶粒尺寸由初始态74.04µm细化到1.45µm。研究结果同时表明，晶粒尺寸减小虽然不能提高FeMnSi合金的恢复应变，但可提升恢复应力。Babacan等同时研究了轧制对Ni50Ti30Hf20高温形状记忆合金（HTSMA）形状记忆响应和热机械循环稳定性的影响。研究表明轧制过程导致的位错密度增加和马氏体组织转变会明显提高SMA的热滞性。通过塑性加工获得细晶效应，需要在SMA中施加足够的塑性变形量，但由于SMA的加工硬化速率极高，过高的塑性变形会降低合金表面上的质量，因此传统的冷轧、冷拔等变形方式均会导致形状记忆合金轧制或拉拔过程中形成微裂纹甚至断裂，具有一定的局限性。

  喷丸强化是另外一种典型的能够细化金属晶粒的强化方法，喷丸强化的原理是通过高速弹丸冲击金属表面产生塑性变形，塑性变形一方面会细化金属表层晶粒，另一方面能引入残余压应力从而大幅度提升金属结构的疲劳强度。Li等通过超声喷丸处理和随后的低温（523K）时效处理在NiTi基SMA中形成了表面纳米晶，超声喷丸强化的实验装置和工艺原理如图6所示。研究根据结果得出在纳米晶粒和位错网络化的情况下，喷丸过程中产生的Ni4Ti3纳米沉淀物能够显著强化基体材料，且在循环载荷作用下SMA的超弹性也得到了改善。Takeda的研究根据结果得出超声喷丸能够明显提高TiNi基SMA的疲劳寿命。Ye等采用新型的激光喷丸也在TiNi基SMA表层产生了具有双峰晶粒的纳米结构，经激光喷丸处理后SMA的强度和延展性都得到了显著提升。Wang等对NiTi形状记忆合金进行了飞秒激光冲击强化（FLSP）处理，在激光飞秒冲击后的NiTi合金表面晶粒显著细化，划痕测试表明FLSP工艺能够更好的降低摩擦力和摩擦系数。

  通过上述分析可知影响形状记忆合金的因素主要有合金元素组成和微观组织特性，其中微观组织调控当前常用的技术方法主要有热处理、塑性变形加工和表面强化工艺等。未来形状记忆合金性能调控研究趋势除了依据材料特性和应用场景开发新型的合金系列和热处理策略等，另外一个重要方向是将新型的后处理强化方法引入到形状记忆合金组织性能调控。

  航天器上需要大量压紧释放装置实现可分离结构与固定结构的连接和分离，如火箭级间分离、太阳翼展开、天线压紧释放等。传统驱动机构主要是利用火工药剂爆炸或燃烧产生的爆轰波或高压燃气作为驱动力，由于作用过程中产生的爆炸冲击（又称火工品冲击）会对航天器中携带的精密电子元器件造成损伤，因此非含能解锁分离装置成为研究热点。形状记忆合金的形状记忆特性使其成为理想的非含能解锁分离装置材料。

  Yoo等开发了一种非爆炸性释放执行器以取代当前的火工释放装置，执行器利用SMA线，能轻松实现快速触发操作，能够为中型卫星的太阳能电池阵列提供高预载和低冲击非爆炸性释放执行器，可以替代目前使用的释放装置。根据性能测试结果，释放时间、预载能力、最大冲击水平分别为50ms、15kN、350g，大幅度提升了执行器的可靠性。Glücksberg等研制了圆柱管NiTi基SMA致动器，其外径和内径分别为12.7、7.8mm，其基础原理如图7所示。制动器激活阶段之后气缸被压缩能够诱导马氏体相变（或重新定向现有的马氏体相），这主要是由于制动器在施加恒定位移条件下会产生时温度上升。在温度为120℃、载荷增量为35kN（440MPa）情况下，制动器表现出良好的装载—卸载—加热—冷却的重复循环性能，与传统火工驱动器相比能够有很大成效避免振动和烟尘对系统的影响，同时能重复使用。

  Pan等研制了一种SMA驱动的新型非爆炸和可复位释放装置，其结构示意图和测试过程如图8所示。工作过程中偏置SMA执行器通过触发滑轮组件和多级杠杆来释放飞轮螺母。在螺钉预紧载荷的拉力作用下，飞轮螺母非常快速地旋转使螺钉松开，从而松开目标适配器。同时分离后可使用复位工具快速复位设备，无需更换任何部件。性能测试根据结果得出，该装置可承受最大双向预紧力10kN，平均解锁力为9.73N。解锁时间随着驱动电压的增加而减少，平均解锁响应时间为342ms（电压为9V工况下）。此外，执行器常规使用的寿命超过50次，实现了释放装置的重复使用。

  刘颖等研制了一种如图9所示的压紧释放装置，该装置利用分组滚棒减小释放阻力，采用微小间隙（≤0.05mm）主动控制压紧面横向位移，由SMA丝作为装置驱动源。在预紧载荷12000N、供电电流2A、温度为-15℃的线s。设计装置的释放时间与回复位移计算误差小于5%，具有结构相对比较简单、功耗低、压紧面滑动微小等特点，适用于精密展开部件的压紧与释放。张小勇等在美国国家航空航天局（NASA）研究的基础上，提出了一种分段螺母形式的SMA空间释放装置的设计的具体方案，并针对释放装置的核心部分即驱动单元制定了相应的设计方法。最后研制了样机并进行了功能和同步测试，根据结果得出在6V直流供电下，该装置可在0.3s内完成释放功能，且2台装置同时使用时几乎同时释放。2种设备的释放维持的时间差异小于0.04s。研制的空间释放装置具有体积小、释放维持的时间短、复位同步容易、工程应用潜力大等优点。

  从形状记忆合金的工作原理与分类、典型制备工艺、性能调控和应用现状4个方面对形状记忆合金的研究和应用现在的状况进行了综述。基于形状记忆合金的非火工执行装置在航空航天领域有很鲜明的技术优势和广阔的应用前景，并且近些年来国内研究人员也开发出了一部分装置并得到了一定的应用，但当前基于形状记忆合金的非火工执行装置仍未得到大规模应用，以下方面有待继续加强研究。1）当前SMA材料功能实现多依赖于马氏体相变，在加载、卸载过程中具有一定的迟滞性，影响了执行机构的精度，开发新型迟滞性小的SMA材料对促进其应用势在必行。同时，航空航天执行机构对轻量化、微型化和极端环境有较高要求，亟需开发具有轻量化、微型化特征，适用极端高温或极端低温条件的SMA执行机构。

  2）SMA材料多存在一定的损伤和缺陷，在使用的过程中力学性能较差，相对与瞬间可提供大冲击载荷的火工装置具有一定差距。同时SMA作为新型的功能材料，加工性能较差，而航空航天机构往往对加工质量发展要求较高且结构复杂。因此，开发新型高性能SMA材料，同时开发针对SMA的精确加工和复杂精密机构的制造技术势在必行。

  3）针对SMA材料执行器的降低成本要求，当前常用的SMA执行器从SMA材料本身和加工制备工艺成本相比来说较高，后续SMA执行机构的低成本化是影响其大规模推广应用的重要因素。

  武晓娟，陕西应用物理化学研究所，工程师，研究方向为航空航天分离解锁装置。原文发表于《科技导报》2023年第13期，欢迎订阅查看。

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